1. 研究目的与意义（文献综述）

1课题背景及意义（国内外研究现状）

1.1课题背景与研究意义

随着电力电子技术的不断进步，以开关电源为代表的电力电子设备越来越广泛地被应用于计算机、电子产品以及通信设备的供电系统中，给工业生产和社会生活带来了极大的进步。但与此同时，由于开关电源输入级采用二极管构成的不可控整流电路，在每半个工频周期内，只有在输入电压瞬时值大于负载直流电压时才有输入电流，往往会导致输入电流不是正弦波（如图1所示），这就使得电源的输入功率因数很低，进而给电网带来大量谐波污染。

图1 二极管整流电路及输入电流波形

电源设备产生的谐波不仅会降低电能的传输利用效率，同时也会对电气设备、通信系统产生干扰，严重影响电力系统的正常运行。为此，一些国家与国际组织相继提出了谐波限值标准，如国际电气电子工程师协会、国际电工委员会等相继提出了谐波限制标准，如IEEE519-1992与IEC61000-3-2^[1]。我国也于1994年和1998年分别颁布了（GB/T14549）与GB17625.1-1998等谐波标准^[2]。解决谐波问题的主要方法之一是对电子设备进行电路优化设计，使得输入电流与电网输入电压为同频同相的正弦波形，功率因数的数值接近于1，从而达到谐波标准的要求，即PFC技术。长期以来，PFC技术一直是开关电源领域研究的热点问题。

1.2国内外研究现状

最早的PFC是采用电感和电容构成的无源网络进行的，但这种无源PFC的功率因数偏低，故而后面出现了功率因数更高的有源PFC。最早的有源PFC电路由晶闸管电路组成；直到上世纪80年代才出现了现代有源PFC技术，而该阶段则主要研究工作于CCM模式下的BOOST 变换器。20世纪80年代末期，Doc.S.D.Freeland首先提出了DCM模式的概念，K.H.Liu首先采用“电压跟随器”来对这种模式的PFC技术进行描述，因此，DCM模式控制又称为电压跟踪方法。1992年的IEEE电力电子专家会议（PESC）设立了功率因数校正专题，可以看作是有源PFC技术发展历程中的一座里程碑。1994年开始，将PFC技术与软开关技术相结合成为PESC的会议重点，软开关技术主要通过降低开关管的开关损耗，来提高效率^[3]。

自上世纪80年代开始至今，PFC的研究热度从未降低，与之相关的学术文章数目相当庞大。期间，电源研发人员提出了多种拓扑结构，同时也提出了各种控制策略，集中体现为高效率化、高频化、数字化。当前阶段PFC的研究热点主要表现在：

（1） 新型拓扑结构的研究：如无桥PFC

（2） 软开关技术实现方式研究

（3） 新型控制方法的研究：通过DSP、FPGA等控制器实现数字式控制

（4） 新型半导体材料的应用:SiC、GaN等新型半导体器件

1.2.1 新型PFC拓扑结构研究

对于传统的DC-DC变换器，如Buck、Boost、Buck-boost、Cuk、Zeta以及Sepic变换器，都可以用于实现PFC。

图2 传统Boost PFC变换器主电路拓扑

相较而言，Boost PFC拓扑有较为明显优势，主要体现在：（1）升压电感串联在输入端，从而输入电流中高频纹波相对较小（2）由于Boost变换器是升压型电路，从而不存在导通死角，在整个输入电压范围内均可保持较高功率因数，电路工作稳定（3）主开关管的源级连于主电路地上，驱动电路较为简单。因此，Boost PFC变换器得到了广泛的研究与应用^[4]。但Boost PFC变换器无论工作在开关管开通还是关断状态，均有三个半导体器件处于导通状态，在功率较大时，这些半导体器件带来的损耗会非常大，继而降低变换器的效率。因此，为了减少功率器件的损耗，无桥Boost PFC电路应运而出。最早的无桥Boost PFC出自1983年洛克威尔公司的专利，与传统的BOOST PFC相比，该专利中的无桥BOOST PFC变换器略去了输入前端的整流桥，两个开关管代替了原先整流桥下面的两个二极管^[5]。这种无桥Boost PFC电路又被称为基本型无桥Boost PFC电路,其主电路拓扑见图3。

图3 基本型无桥Boost PFC主电路拓扑 图4 图腾柱式无桥PFC主电路拓扑

但是，这种基本无桥Boost PFC电路存在严重的共模噪声干扰，采样及控制电路复杂，因而未被工业界广泛应用。随着半导体技术的不断成熟，对无桥Boost PFC电路的研究也不断深入，一些新型拓扑结构相继被提出。其中，最具代表性的有图腾柱式无桥PFC拓扑结构，电路如图4所示。

与基本型无桥PFC相同，图腾柱式无桥PFC在开关管开通与关断阶段均只有两个半导体器件导通，因此损耗较小、效率较高。同时，图腾柱式电路结构简单，具有较高的器件利用率与较小的电磁干扰。但其存在较大的二极管反向恢复损耗，影响变换器效率的提高，所以图腾柱式无桥PFC多应用于DCM（电感电流断续）或CRM（电感电流临界连续）模式等中小功率电路。同时还需要注意的是，图腾柱式无桥PFC需要复杂的电感电流采样电路以及为了避免由于开关管源级不共地带来的信号干扰，需要对驱动电路信号做相应的隔离处理，进而导致控制较为复杂。若能够解决图腾柱的反向恢复损耗和电感电流采样问题，则图腾柱式无桥PFC的性能可以得到很大的提高，因此有必要在新型半导体器件与电感电流采样方式上进行讨论。

表1 传统BoostPFC变换器与两种无桥Boost PFC对比^[8]

1.2.2 新型半导体开关器件

随着电力电子设备高频化的发展，硅材料的性能开发也逐渐达到了瓶颈，新型半导体开关器件在Boost PFC中的研究应用也一直在进行。新型半导体材料研究主要包括目前较为成熟的SiC(碳化硅)以及处于萌芽阶段的GaN（氮化镓）。例如，利用SiC二极管几乎无反向恢复电流的特点，将SiC二极管替换传统的Si二极管之后，可以极大的减小反向恢复带来的开关损耗。作为宽禁带半导体材料的GaN，在无反向恢复电流的同时又具有较低的导通损耗，可以更大程度地提升电路的整体效率，故而GaN取代SiC也是大势所趋。

1.2.3 sensorless电流控制策略的研究

相比于电压控制模式，电流控制模式具有更高的响应速度与更大的环路增益带宽。因而，电流采样方式的选择对于电流控制模式电源性能具有很大的影响。通常来说，有三种常用电流采样类型：1）最简单的是将一个分流电阻串联到电路中，使用欧姆定律I=U/R来间接得到电流值，但是这种方法会引起很大的能量损耗，严重影响电源效率2）使用电流镜像重构电流3）在电路中接入霍尔电流传感器直接得到电流值，这种方法最精确但又是价格最昂贵的。但上述三种电流采样方式，由于增添了额外的电流采样模块都会降低系统的可靠性。

2001年，Midya等人提出了一种基于current observer（电流观测器）的sensorless电流控制器，与通常的采用传感器式的采样方式相比，sensorless电流控制器通过采样输入电压与输出电压来估算得到电感电流[6]，在一定程度上减小了电路损耗，提高了系统的稳定性。

图5 应用于Boost 变换器的传统sensorless 电流控制器结构

应用于Boost变换器的传统sensorless 电流控制器结构如图5所示。这种sensorless电流控制器使得开关电源在工作于电流控制模式的同时又省去了电流传感器，使得电源效率得到明显提高，故而具有重要的研究价值。

1.2.4 电路工作模式与数字式控制方式

对于Boost电路，存在DCM（电感电流断续导通）、CCM（电感电流连续导通）与CRM（电感电流临界导通）三种工作模式。在通信电源这类功率等级中，常见Boost PFC电路采用的是CCM模式。但是，在CCM的工作模式下二极管的反向恢复损耗较大，而采用CRM模式则能够很大程度上消除二极管的反向恢复损耗。同时，相较于DCM模式，CRM模式下输入电流的总谐波失真与电感电流峰值均更小，由此具有更低的开关管与电感损耗。此外，在CRM模式下可以利用谐振来实现ZVS（零电压开通），理论上，CRM模式下的PF可以达到1。因而，CRM工作模式更有应用前景。但是，较于定频控制的DCM与CCM，CRM的主要缺陷在于其开关频率是关于线路和负载的函数，即变频控制，故而控制较为复杂。并且，CRM模式下实现ZVS的条件是，为了在下ZVS同样可以实现ZVS，必须要采用改进措施。

相对于传统的模拟电路控制，以DSP、FPGA控制器为代表的现代数字控制方式由于具有不易受元器件老化及温漂的影响、对外部的干扰敏感度低、功能扩展方便等优势，因而成为电源控制领域的一大研究热点。例如，变频CRM的复杂控制可以通过DSP、FPGA等数字控制器较为容易地实现。

2. 研究的基本内容与方案